看護学科の化学講義(4)原子の構造その1

今年度の履修者は94名に決まりました．今回の出席は93名．出席率99 %．先週学んだエネルギーについての考え方を利用して，原子のしくみにせまりました．

前回の講義についての質問コメント感想なんでも

前回の講義録参照．

• (3)エネルギー(2011-05-13)

原子のしくみ

キーワード

陽子，中性子，電子，原子核，質量数，同位体(アイソトープ)，元素記号，原子番号，電子配置，エネルギー準位，エネルギー殻，電子殻，価電子，最外殻基底状態，励起状態

原子を解体すると原子核と電子になります．原子核はさらに陽子と中性子に解体できます．化学の解体作業はここで止め．

原子核を構成する陽子はプラスの電荷を持った粒子です．中性子は陽子とほとんど同じ質量を持った粒子ですが，電荷は持っていません．原子の質量は原子核の質量と考えて構いません．なぜなら，電子の質量は極一部にすぎないからです*1．そこで，原子の質量を比べるときには，陽子あるいは中性子で数えて何個分に相当するかを考えると便利です．陽子の数と中性子の数をあわせたものを，質量数と呼びます．

さて，1種類の元素の中に，質量数の異なる原子が混ざっている場合があります．例えばヘリウムの場合，中性子を1個持つものと2個持つものとが存在します．どちらもヘリウムだし，陽子を2個持つし，化学的な性質もほとんど同じなのですが，質量が異なります．そこで，この2種類のヘリウムを区別する呼び方が必要になってきます．中性子を1個持つものを³₂He，中性子を2個持つものを⁴₂Heとかき分けて区別します．両者は互いに同位体(アイソトープ)の関係にあります．

ここで，上付数字が質量数，下付数字が原子番号(=陽子の数=電子の数)，そしてHeはヘリウムという元素をあらわす元素記号です．

元素記号は大文字アルファベット1文字か，またはそれに小文字アルファベット1文字を加えた2文字で表されます．現在，113番目まで名前が割り当てられています．

●イオン化エネルギーと電子親和力の違いがよくわかりませんでしたが，今日の授業で分かりました!●原子の構造について理解できたと思います．●原子の構造がよくわかりました．図を使って説明してくれるのでイメージしやすいです．●原子の構造，高校のときにやったけどすっかり忘れていました．●陽イオンや陰イオンにカタカナの名前があることは知らなかった．

電子のレイアウト

原子核のまわりを，陽子と同じ数の電子が取り巻いています．そこにはレイアウトの規則性が見られます．まず，太陽のまわりを回る惑星をイメージしてみましょう．太陽が原子核，惑星の回る軌道が電子を収める空間です．電子を収める場所をエネルギー準位，エネルギー殻，電子殻，などと呼びます．内側から順にK殻，L殻，M殻，・・・，と並んでいます．電子はK殻から順にレイアウトされて行きます．それは，原子核に近い電子殻ほど位置エネルギーが小さいからです．K殻には電子が2個，L殻には8個，M殻には18個，という具合に，それぞれの電子殻には2n²個の電子を収めることができます．

最も外側の電子殻に収まっている電子は，その原子の化学的な性質を支配します．そこで最も外側の電子殻，すなわち最外殻に存在する電子を価電子という名前で呼びます．

基底状態と励起状態

原子にエネルギーを与えると，原子はそのエネルギーを使って何通りかの仕事をします．その一つが，最も外側の電子殻に存在する電子を，もう一つ外側の電子殻に持ち上げる，という仕事です．このような状態になった原子は，高いエネルギーを抱え込んでいます．この状態を励起状態と呼びます．励起状態よりは元の状態の方が安定なので，エネルギーが与えられなくなれば，電子は元の電子殻に戻ります．その際に，位置エネルギーを失います．失われた位置エネルギーは何らかのかたちで原子の外に放出されます．例えば光として放出される場合があります．

●花火の光，ホタルの光，ブラックライト，・・・化学と関係なさそうなものが出て来て親近感がもてました．●ブラックライトすごい! 化学ってこんなに生活とつながっているんですね．●最後の実用例があることで今日一日の勉強内容を復習してみようという気になりました!●基底と励起の関係がおもしろかったです．特に花火もそういう原理だとは驚きです．今年の夏は異なった視点で見てみます!●励起と基底という言葉ははじめてききました．高校のときにもイオンについて勉強しましたが，先生の説明というか講義はすごく分かりやすかったです．●花火考えた人すごいですね．蛍の光は化学で考えたくなかったです．●花火とか電子レンジとか原子の力におどろきました．●今日も授業楽しかったです．ホタル見てBBQしたくなりました．●ホタルを見に行こうと思いました．●私の部屋もブラックライトでミニプラネタリウムをつくりたいと思った．どのくらい費用がかかることだろう・・・．●ブラックライトを使った基底状態と励起状態の説明が分かりやすかった．コピー用紙に蛍光塗料が入っていることは知らなかった．●いろんなところにエネルギーが使われているから，エネルギーなしには生きていけないのだなと思った．NoエネルギーNo Life．●コピー用紙に蛍光塗料が含まれていることにビックリ!!!●同じ「紙」だと思っていたのに，ブラックライトを反射するものとしないものとがあるのに驚きました．●励起!●基底!●今日の授業は計算少なかったのでよかったです．ルミノールの実験，高校でやりました!●きのう見たドラマでルミノールでてきました．●今日も90分があっという間でした!! 基底状態と励起状態という言葉をはじめて知りました．

イオン

キーワード

イオン化エネルギー，陽イオン，カチオン，陰イオン，アニオン

価電子を外側の電子殻に移すために必要なエネルギーよりも大きなエネルギーを原子に与えたらどうなるでしょうか．もう一つ外側の電子殻まで電子が追いやられるかもしれません．さらに大きなエネルギーを与えたらどうなるでしょうか．電子は完全に原子核から離れてしまうことでしょう．このように，原子から電子を1個取り去るために必要なエネルギーをイオン化エネルギーと呼びます．

電子を取り除かれた原子は，原子ではなく，陽イオン(カチオン)と呼ばれる状態になります．負電荷を持つ電子が1個取り除かれた後は正電荷が残ります．このことを，例えばナトリウムNaの場合は次のように記します．

Na → Na⁺ + e^-

一方，電子を原子に与えた場合にはどうなるでしょうか．電子を1個獲得することによってエネルギーの面で安定な状態になる場合，原子からはエネルギーが放たれます．これが電子親和力と呼ばれるエネルギーです*2．電子を1個受け取って安定な状態になった原子は，原子ではなく，陰イオン(アニオン)と呼ばれる状態になります．負電荷を持つようになります．このことを，例えば塩素Clでは次のように記します．

Cl + e^- → Cl^-

その他

●今日も楽しかったです．先生の授業はひきつけられます!●楽しかったです．高校のとき化学に対して苦手意識がありましたが，化学が好きになれそうです．頑張ります!●楽しかったです．高校のときに比べてわかるようになってきました．●楽しかったです!すごく分かりやすくて理解できました．●先生の授業は面白くてお腹が痛いです．今日の授業は高校の最初の方の授業を思い出しました．先生細いですね．●高校のときの化学を思い出した．忘れていたと思ってたけど聞くとおもいだすんだなと思った．高校のときより理解できました．●化学はとても実用的ですね!感動しました!●今日はあっという間でした!生活に基づいた情報ばっかりで楽しいです．●今まで化学は別の世界のお話かと思っていたけど今いる世界でバンバン活躍してて，ぐるぐる電子がまわってるんですね!!こんなに化学が楽しいって知っていたら高校でも頑張って化学勉強したのに!!●今日も，とっても興味をもって楽しく聴けました．●原子のやつ，高1でやったから覚えるよーな忘れてるよーな●高1のときやった気がしてなつかしかった!●高校でやっていたのを思い出しました!!次の授業をたのしみにしています．●高校のときにやったような気がするのですが，忘れてしまっていると思うので，かくにんできてよかったです．今日のところはたぶん理解できたと思います．(自信はないですが・・・)●なんだかいよいよ化学という感じですね．高校を思い出します．●高校の復習と新しい言葉を覚えることができてよかった．●高校でやったようなところで高校よりわかりやすくて理解を深めることができたと思います!●初めて知った単語もあったけど，化学要習が役だった!●分かりやすかったです．●よく分かった!●今日の授業はよくわかりました．●いちばん苦手なところでポカーンってしてしまった．ちゃんとできるようにする．●高校の時，このあたりから着いていけなくなったので，今日わかりやすく説明してくれて良かったです．●図があったのでわかりやすかったです．●なんだかこのあらわし方ややこしくてよく分かりにくいです．●難しいです．分かるようで分からないです．●やだー ，一応化学やったのに抜けてるー orz テストそんなに難しくしないでください・・・●わー，つかれた! ここらへんの化学すきです(^w^)!!●教室が暑かった．●教室暑かった．はい，疑問点なし!●おしりが痛いです．L1の教室がいいです．●前回の復習みたいのをしてくれるので，再確認することができて助かります．授業楽しいです☆●電子レンジで金属メッキされたのチンしてスパークして怒られたことがあります．●こないだタマゴを加熱してみました．やっぱり爆発しました．●今日はなんか長かったです．こうゆうのほんとわかんないです．高校のとき書き方やったようなやらなかったよう

な・・・・

●少し眠かったけど今日も楽しかった●眠かったけど先生の話，おもしろかったです．化学の授業たのしいです!●K殻とかすごい懐かしかった!化学，先生こんなに楽しいのにねむくなっちゃう!Wake up↑↑●ちょっと眠くなった●今日はすごく眠くなってしまいました．すいません．今日の内容は化学要習でやり，役に立ちました．だんだん化学が理解できてきた気がします．●わかりやすい授業でした．最近たくさん寝ても眠くて困ってます．●化学要習をとらなかったので，水曜2限に高校化学を自学しています．先週，今週やったところが今回の講義の内容で，先生の話の内容がぜんぶ分かって嬉しかったです(笑) 教科書を読んでいて基底と励起がわからなかったけど，良くわかりました．

確認問題

質問

●エネルギー準位，エネルギー殻，電子殻とは位置のことですか?エネルギー準位が高いというのは，エネルギーが高いということですか?

●エネルギー準位って何ですか?

地面を原子核，飛行機を電子と考えてみます．高いところを飛んでいる飛行機のほうが高いエネルギーを持っています．飛行機が飛んでもよい高度は何段階かに決められていて，それぞれの高さのことをエネルギー準位，エネルギー殻，電子殻と呼びます．3通りの呼び方がありますが，どれも同じです．

●カミナリは基底状態と励起状態に関係ありますか?もしあるなら何のエネルギーを受け取っているのですか?

原子や分子の励起とは別の現象です．地面と雲との間に流れる電子です．大気中で雷が発生するくわしいしくみは，じつはまだわかっていません．

●サイリュームはなぜポキっと折る必要があるの?

管が二重構造になっていて，内側と外側とに別々の薬品が入っています．それを混ぜるためにボキっと折って中の管をこわすのです．

●お祭りで買うルミカライトの輪は使用後でも冷凍すれば復活するのはなぜですか?

光らせ始めた瞬間から光の強さは落ちて行きます．そのため，何時間か過ぎた頃には，すっかり光が出なくなってしまっているように見えます．そこでしばらく見ないでおくと，もう一度見たときに再び光が復活したように勘違いします．冷凍庫で凍らせている間は反応が強制的に止められているので，冷凍庫から出したところから再び残りの材料を使って光り始めます．そのため，また明るさが戻ったように感じられます．

●蛍光剤を含まない紙に当てたブラックライトの光エネルギーはどこに行ってしまったのですか?

ほとんどが，まわりの分子に運動エネルギーとして渡されています．

●リサイクル紙はエネルギーを与えられても，ずっと基底状態でいるということですか．

もともと光らせるための分子が入っていないのです．

●ディズニーランドに友達と行ったとき，アトラクションの中の暗闇で友達がニヤっとしたとき，友達の歯が青く光りました．今日の授業の流れからして蛍光剤によるものですか?

もともと歯は蛍光性を示すのです．食品や歯磨粉に入っている成分とは関係ありません．

●励起から基底になるときの発光するのと炎色反応は同じですか?

同じです．

●イオン化などでとびだした電子などはどうなってしまうのでしょうか?そのまま存在しているのでしょうか?

最終的には，他の原子や分子やイオンに捕まります．

●「原子」と「元素」の呼び方の違いがよくわかりません!!!

元素といった場合には同位体も含めてあるていどまとまった量を差します．原子と言った場合には，元素の中に含まれている一つ一つの粒子を差すことがほとんどです．

●ねり消しというものがありますが，なぜあれは練れば練るほど柔らかく伸びるようになるんでしょうか?励起状態とは関係ないですよね?

練っているうちに体温で温度が上がってくるので，それによって柔らかくなります．練るのを止めると温度は元に戻るので柔らかさは元通りになります．と言い切りたいところなのですが，練り消しには柔らかくするための成分が混ぜられています．練っているうちにその成分がよく混ざって行くと，買ったときよりも柔らかくなる可能性もあります．そしてこれは励起状態とは関係ありません．

●どうして電子をあげたりもらったりするのかがいまいちよくわかりません．

電子を受け取る成り手放すなりして，希ガスと同じレイアウトにすると安定した状態になります．なぜ安定した状態なのかというのは，一般教育化学の範囲を外れてややこしくなるので説明は省略．

●どうしてNa⁺はあるのにNa^-18とかにならないかが分からない．

Naは電子を1個てばなすだけで希ガスのNeと同じ電子配置になることができます．だからNa⁺にするのは1段階で済む仕事です．これに対してNa^-18というような状態をつくろうとしたら，電子を何個も押しつけなければならず，しかも原子核のもつ陽電荷とのバランスも偏りすぎます．そのため，こちらはムリです．

●アルミホイルを歯でかんだらジーンってなるのはどうしてですか?

電流が流れるためです．金歯，銀場，金属性の詰め物をしているヒトだけに起こる現象です．

次回予告

周期律の続きをやった後に，原子の結合に進みます．

ホームワーク

教科書の「原子の結合」を読んでおくこと．

リンク

www.tnojima.net
www.tnojima.net

生命科学のための基礎化学―無機物理化学編

*1：計算問題ネタ

*2：エネルギーなのに力という和名がついていてややこしいです．